松散砂卵石層中砼防滲墻超前支護(hù)試驗(yàn)研究

超前支護(hù)試驗(yàn)研究摘要：介紹了西藏直孔水電站CII標(biāo)在松散砂卵石地層中采用超前支護(hù)工藝進(jìn)行砼防滲墻成槽的試驗(yàn)?zāi)康?、工藝及成?對(duì)超長(zhǎng)、超深、大斷面開挖的三維應(yīng)力及滲漏進(jìn)行了模擬研究。關(guān)鍵詞：松散砂卵石地層三維應(yīng)力模擬砼防滲墻超前支護(hù)試驗(yàn)?zāi)康奈鞑乩_河直孔水電站壩基覆蓋層深50-150m，地層松散，壩基滲透系數(shù)大，為防止水庫(kù)漏水，設(shè)計(jì)在壩基下建造深18-79m、厚0.8m、長(zhǎng)1010.5m的砼防滲墻。在砂卵石顆分曲線中，細(xì)顆粒含量偏少，粉、粘粒含量小于8%;砼防滲墻采用常規(guī)的鉆劈法、反循環(huán)、抓斗法施工存在槽孔易垮塌、漏漿嚴(yán)重、工效低的難題。因此，為了滿足工程質(zhì)量和進(jìn)度要求，我部結(jié)合砼防滲墻設(shè)計(jì)和地質(zhì)地層實(shí)際情況，在經(jīng)過充分探討和論證的基礎(chǔ)上，提出“松散砂卵石層中砼防滲墻超前支護(hù)方案”，以解決松散砂卵石層中砼防滲墻成槽的難題，由于該方案屬于技術(shù)創(chuàng)新，為充分驗(yàn)證方案的可行性，業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工四方經(jīng)過多次討論，為穩(wěn)定起見，決定在樁號(hào)1+022-1+046段進(jìn)行松散砂卵石層中砼防滲墻超前支護(hù)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)研究成果，決定該施工方案是否可行。該項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)康娜缦拢?.1試驗(yàn)施工方案中提出的分段、分層、鋼筋結(jié)構(gòu)、鋼支撐等參數(shù)及工藝是否可行;1.2研究超長(zhǎng)、超深、大斷面垂直挖槽方案的應(yīng)力分布狀況及對(duì)滲漏影響；1.3與常規(guī)的沖擊鉆成槽進(jìn)行技術(shù)比較。2三維應(yīng)力及滲漏模擬研究2.1模型介質(zhì)參數(shù)及邊界條件(1)模型介質(zhì)參數(shù)根據(jù)成勘院對(duì)西藏直孔水電站地質(zhì)的勘測(cè)及水電七局直孔項(xiàng)目部的施工方案等技術(shù)資料并參考已有的研究經(jīng)驗(yàn),選取模型中各類介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)及指標(biāo)(表1),作為應(yīng)力─形變反演模擬的計(jì)算依據(jù)。其中，鋼支撐材料各項(xiàng)參數(shù)的選擇以建模的相似原理為準(zhǔn)則作相應(yīng)的調(diào)整。表1模型介質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)取值物理力學(xué)參數(shù)地層介質(zhì)彈性模量E(MPa)泊松比μ初始內(nèi)聚力C0(MPa)初始內(nèi)摩擦角φ0(°)殘余內(nèi)聚力C’(MPa)殘余內(nèi)摩擦角φ(°)密度ρ。(g/cm3)抗拉強(qiáng)度(MPa)fglQ260350350alQ350330330alQ4500310310支撐2400(換算)80405030200(2)模型邊界條件考慮到模型非自由邊界遠(yuǎn)離重點(diǎn)研究部位,邊界條件可適當(dāng)簡(jiǎn)化為:壩基應(yīng)力─形變計(jì)算模型底部設(shè)置垂向約束的連桿支座,左、右側(cè)作為主動(dòng)邊界施加水平構(gòu)造力(σ=5.0MPa)；槽孔垂向挖掘應(yīng)力─形變計(jì)算模型底部設(shè)置垂向約束連桿支座,兩側(cè)施加水平側(cè)壓力；槽孔軸向挖掘應(yīng)力─形變計(jì)算模型兩側(cè)施加水平側(cè)壓力,兩端設(shè)置為水平約束的位移邊界條件。2.2模擬研究成果(1)三維數(shù)值計(jì)算成果表明,壩基巖土體天然應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)今特征表現(xiàn)為重力場(chǎng)模式。最大主應(yīng)力(σ1)及最小主應(yīng)力(σ3)隨深度逐漸平穩(wěn)增大,無(wú)張應(yīng)力分布;最大剪應(yīng)力(τmax)分布在不同的地貌單元內(nèi)差異較大:河床段壩基土體中,出現(xiàn)量值相對(duì)較低(τmax—0.19MPa)的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象;階地段最大剪應(yīng)力(τmax─0.01Mpa。顯然,在地殼表層巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)下,壩基巖土體的應(yīng)力—形變環(huán)境處于較平穩(wěn)的重力作用狀態(tài)。(2)槽體橫剖面的二維數(shù)值計(jì)算成果清楚地顯示，槽壁土體應(yīng)力─應(yīng)變作用具有明顯的分段性:上段0—23m為一呈倒三角形分布的應(yīng)力松弛變形區(qū)，主應(yīng)力及剪應(yīng)力均出現(xiàn)明顯的低異常分布；下段23—45m為向下逐漸增大的側(cè)向應(yīng)力壓縮區(qū)，主應(yīng)力及剪應(yīng)力均呈逐漸增高之勢(shì)。導(dǎo)致土體應(yīng)力─應(yīng)變特征分段性的基本原因在于，槽壁內(nèi)支撐間距設(shè)置的差異。(3)數(shù)值計(jì)算成果表明，垂向挖掘施工對(duì)槽壁土體應(yīng)力—形變特征的影響主要表現(xiàn)為:在擬定的槽壁內(nèi)支撐前提下,主應(yīng)力（σ）及剪應(yīng)力（τmax）隨挖掘深度逐漸增加,單壁位移變形在挖掘至20--25m深時(shí)可接近最大值。(4)進(jìn)一步的三維數(shù)值模擬分析表明，沿槽體軸向連續(xù)貫通挖掘與間隔挖掘施工方案的不同，對(duì)槽壁土體的應(yīng)力—形變問題有較大的影響。在槽壁上段的應(yīng)力松弛變形區(qū)內(nèi),連續(xù)貫通挖掘時(shí)的單壁最大位移變形可達(dá)180mm左右,間隔15m挖掘時(shí),僅有18mm;在下段側(cè)向應(yīng)力壓縮區(qū)內(nèi),連續(xù)貫通挖掘時(shí)將產(chǎn)生63mm的位移變形,而間隔挖掘時(shí)的最大位移變形僅有34mm。(5)槽內(nèi)鋼支撐應(yīng)力與變形問題的三維模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,軸向間隔挖掘施工時(shí)，槽內(nèi)水平支撐鋼材的應(yīng)力及變形均明顯低于連續(xù)貫通挖掘時(shí)的應(yīng)力及變形情況。軸向連續(xù)貫通挖掘時(shí)，支撐體系較大的應(yīng)力及變形難以滿足其自身的受力平衡與穩(wěn)定。(6)槽內(nèi)鋼支撐的應(yīng)力—形變計(jì)算成果見表2表2槽內(nèi)鋼支撐的應(yīng)力—形變計(jì)算成果項(xiàng)目開挖深度開挖形式X向位移最大值(m)Y向位移最大值(m)Z向位移最大值(軸向)(m)X向應(yīng)力最大值σx(Mpa)Y向應(yīng)力最大值σy(Mpa)Z向應(yīng)力最大值σz(軸向)(Mpa)最大主應(yīng)力σ1(Mpa)最小主應(yīng)力σ3(Mpa)最大剪應(yīng)力τ(Mpa)10m分段3貫通20m分段貫通30m分段貫通35m分段貫通40m分段貫通44m分段貫通3試驗(yàn)工藝3.1試驗(yàn)段參數(shù)試驗(yàn)段長(zhǎng)24m，槽深26-27.6m，單元開挖深度1.1～1.7m，長(zhǎng)度2～6m，開挖凈寬為120cm；鋼筋砼襯砌墻厚度15cm，內(nèi)部掛網(wǎng)縱橫筋?8@150；采用角鋼與工字鋼呈梅花形布置進(jìn)行水平支撐，沿防滲墻軸向間距2.0m，垂直間距1.0～2.0m，根據(jù)地層條件，垂直間距可作適當(dāng)調(diào)整。3.2試驗(yàn)工藝試驗(yàn)前期臨建試驗(yàn)前期做好試驗(yàn)段的地表排水、槽口防護(hù)欄、安設(shè)安全警示牌及上下槽孔的爬梯等臨建設(shè)施。試驗(yàn)工藝a澆筑導(dǎo)向槽和施工平臺(tái)。b襯砌墻開挖采用人工分層分段間隔開挖,槽孔兩邊同時(shí)開挖,同時(shí)襯砌,同時(shí)對(duì)稱支護(hù)。c掛網(wǎng)及預(yù)埋掛網(wǎng)的水平筋?8@150，豎向筋?8@150，與四周的預(yù)留錨筋牢固焊接；預(yù)埋鋼板固定在鋼筋網(wǎng)上,鋼板平面緊靠模板內(nèi)側(cè)。d立模保證模板的垂直度，控制槽孔凈寬度,并用木板封堵立模的兩端，以免砼流出,同時(shí)模板的上下部立斜模,保證砼襯砌墻的搭接質(zhì)量。e襯砌墻澆筑及拆模襯砌墻混凝土澆筑完后3天拆模。f襯砌墻支撐角鋼桁架支撐體系見圖1。G成墻澆筑開挖成槽后,采用導(dǎo)管法完成防滲墻的砼澆筑。圖1角鋼桁架支撐體系圖特殊情況處理a對(duì)砂層的處理當(dāng)襯砌墻開挖過程中遇到砂層時(shí),立即減小單元襯砌槽開挖尺寸,深度0.5～1m,長(zhǎng)度0.5～1m,開挖厚度可加寬至左右,并及時(shí)對(duì)內(nèi)部回填漿砌石,然后再澆筑襯砌墻。b對(duì)架空層的處理當(dāng)襯砌墻開挖過程中遇大的架空層時(shí),處理方式同砂層,必要時(shí)可回填流動(dòng)性好的水泥砂漿。c當(dāng)變形觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)襯砌墻有變形時(shí),及時(shí)加密支撐。d當(dāng)開挖過程中遇到暴雨時(shí),人員全部撤離，在槽內(nèi)采用挖集水坑,用潛水泵排水,待周邊排水孔不再排水后12小時(shí)再進(jìn)行作業(yè)。e當(dāng)下層開挖過程中發(fā)現(xiàn)上部襯砌墻移位時(shí),立即增加垂直向支撐,并縮小開挖單元尺寸,減小變形。f如遇有大探頭石,挖出時(shí)可能危及更大范圍內(nèi)的開挖時(shí),可把它澆入襯砌里,如有大孤石,直徑超過80cm時(shí),可根據(jù)石頭紋理進(jìn)行處理，必要時(shí)用風(fēng)鉆施工，嚴(yán)禁放炮。4試驗(yàn)結(jié)論4.1該方案可行性“松散砂卵石層中砼防滲墻超前支護(hù)工藝”具有獨(dú)創(chuàng)性，研究中提出的超前支護(hù)工藝、襯砌支護(hù)、砼防滲墻澆筑、超長(zhǎng)、超深斷面人工垂直開挖均屬首創(chuàng)，所施工的防滲墻能滿足設(shè)計(jì)提出的施工技術(shù)要求。4.2三維應(yīng)力模擬結(jié)果為確保槽壁及支護(hù)體系的穩(wěn)定性,建議對(duì)施工工藝作如下適當(dāng)調(diào)整:a.為有效防止槽孔上段因過大的變形而導(dǎo)致土體失穩(wěn)破壞,應(yīng)及時(shí)調(diào)整并補(bǔ)強(qiáng)上段支撐體系;b.考慮到施工過程中,槽內(nèi)水平鋼支撐將產(chǎn)生較大的垂向變形,為確保支撐體系的整體受力平衡,應(yīng)重視剪力支撐的施工質(zhì)量;c.在施工條件許可的前提下,應(yīng)優(yōu)先考慮軸向間隔挖掘施工方案,或者也可采用由淺向深逐段挖掘—澆筑的施工方案。防滲墻結(jié)構(gòu)分析的目的是確定墻體的厚度及其與地基連接的形式。墻體厚度主要由防滲要求、抗?jié)B耐久性、墻體應(yīng)力和變形以及施工設(shè)備等因素確定，其中最重要的是抗?jié)B耐久性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度兩個(gè)因素。三維滲透模擬結(jié)果表明：超前支護(hù)砼防滲墻具有足